Los plásticos de polietileno, en particular, la omnipresente bolsa de plástico que arruina el paisaje, son notoriamente difíciles de reciclar. Son resistentes y difíciles de descomponer, y si se reciclan, se derriten en un estofado de polímero útil principalmente para terrazas y otros productos de bajo valor.

Pero un nuevo proceso desarrollado en la Universidad de California, Berkeley, y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) podría cambiar todo eso. El proceso utiliza catalizadores para romper los polímeros largos de polietileno (PE) en trozos uniformes, la molécula de propileno de tres carbonos, que son la materia prima para fabricar otros tipos de plástico de alto valor, como el polipropileno.

El proceso, ciertamente en las primeras etapas de desarrollo, convertiría un producto de desecho, no solo bolsas y envases de plástico, sino todo tipo de botellas de plástico PE, en un producto importante con una gran demanda. Los métodos anteriores para romper las cadenas de polietileno requerían altas temperaturas y daban mezclas de componentes con una demanda mucho menor. El nuevo proceso no solo podría reducir la necesidad de producción de combustibles fósiles de propileno, a menudo llamado propeno, sino que también ayudaría a satisfacer una necesidad actualmente no satisfecha de más propileno por parte de la industria del plástico.

«En la medida en que se reciclan, una gran cantidad de plásticos de polietileno se convierten en materiales de baja calidad. No se puede tomar una bolsa de plástico y luego hacer otra bolsa de plástico con las mismas propiedades», dijo John Hartwig, de UC Berkeley. Cátedra Henry Rapoport de Química Orgánica. «Pero si puede llevar esa bolsa de polímero a sus monómeros, descomponerla en pedazos pequeños y volver a polimerizarla, entonces, en lugar de sacar más carbono del suelo, lo usa como fuente de carbono para hacer otras cosas, por ejemplo, polipropileno. Usaríamos menos gas de esquisto para ese propósito, o para los otros usos del propeno, y para llenar la llamada brecha de propileno».

Los plásticos de polietileno representan alrededor de un tercio de todo el mercado de plásticos en todo el mundo, con más de 100 millones de toneladas producidas anualmente a partir de combustibles fósiles, incluido el gas natural obtenido mediante fracturación hidráulica, a menudo llamado gas de esquisto.

A pesar de los programas de reciclaje (los productos de PE reciclables se designan con los números de plástico 2 y 4), solo alrededor del 14 % de todos los productos de plástico de polietileno se reciclan. Debido a su estabilidad, los polímeros de polietileno son difíciles de descomponer en sus componentes o despolimerizar, por lo que la mayor parte del reciclaje consiste en fundirlos y moldearlos en otros productos, como muebles de jardín, o quemarlos como combustible.

Despolimerizar el polietileno y convertirlo en propileno es una forma de reciclar, es decir, producir productos de mayor valor a partir de desechos esencialmente de valor cero, al tiempo que se reduce el uso de combustibles fósiles.

Hartwig y sus colegas publicarán los detalles de su nuevo proceso catalítico esta semana en la revista Science.

Dos tipos de catalizadores

Hartwig se especializa en el uso de catalizadores metálicos para insertar enlaces inusuales y reactivos en las cadenas de hidrocarburos, la mayoría de los cuales se basan en el petróleo. Luego se pueden agregar nuevos grupos químicos en estos enlaces reactivos para formar nuevos materiales. El polietileno de hidrocarburo, que generalmente se presenta como una cadena de polímero de quizás 1,000 moléculas de etileno (cada etileno está compuesto por dos átomos de carbono y cuatro de hidrógeno), supuso un desafío para su equipo debido a su falta de reactividad general.

Con una subvención del Departamento de Energía de EE. UU. para investigar nuevas reacciones catalíticas, Hartwig y los estudiantes graduados Steven Hanna y Richard J. «RJ» Conk tuvieron la idea de romper dos enlaces carbono-hidrógeno en el polietileno con un catalizador; inicialmente, un catalizador de iridio y, más tarde, con catalizadores de platino-estaño y platino-zinc, para crear un doble enlace reactivo de carbono-carbono, que serviría como talón de Aquiles. Con esta grieta en la armadura de los enlaces carbono-hidrógeno del polímero, podrían desentrañar la cadena del polímero mediante la reacción con etileno y dos catalizadores adicionales que reaccionan de manera cooperativa.

«Tomamos un hidrocarburo saturado, todos enlaces simples carbono-carbono, y eliminamos algunas moléculas de hidrógeno del polímero para formar enlaces dobles carbono-carbono, que son más reactivos que los enlaces simples carbono-carbono. Algunas personas habían buscado en ese proceso, pero nadie lo había logrado en un polímero verdadero», dijo Hartwig. «Una vez que tienes ese doble enlace carbono-carbono, usas una reacción llamada metátesis de olefina, que fue objeto de un Premio Nobel en 2005, con etileno para romper el doble enlace carbono-carbono. Ahora, tienes tomó este polímero de cadena larga y lo rompió en pedazos más pequeños que contienen un doble enlace carbono-carbono al final».

La adición de un segundo catalizador, hecho de paladio, permitió que las moléculas de propileno (moléculas de tres carbonos) se cortaran repetidamente del extremo reactivo. El resultado : el 80% del polietileno se redujo a propileno.

«Una vez que tenemos una cadena larga con un doble enlace carbono-carbono al final, nuestro catalizador toma ese doble enlace carbono-carbono y lo isomeriza, un carbono adentro. El etileno reacciona con ese producto isomerizado inicial para hacer propileno y un casi idéntico, simplemente más corto, polímero con un doble enlace al final. Y luego hace lo mismo una y otra vez. Camina un paso hacia adentro, se divide, camina hacia adentro, se divide, camina hacia adentro y se divide hasta que todo el polímero se corta en tres átomos de carbono. piezas. Desde un extremo de la cadena, simplemente mastica la cadena y escupe propilenos hasta que no queda cadena».

Las reacciones se llevaron a cabo en una solución líquida con catalizadores solubles u «homogéneos». Actualmente, los investigadores están trabajando en un proceso que utiliza catalizadores no solubles o «heterogéneos» para lograr el mismo resultado, ya que los catalizadores sólidos se pueden reutilizar más fácilmente.

El grupo demostró que el proceso funciona con una variedad de plásticos de PE, incluidas las botellas de leche translúcidas, las botellas de champú opacas, los envases de PE y las tapas de plástico negro duro que unen los paquetes de cuatro latas de aluminio. Todos se redujeron eficientemente a propileno, teniendo que eliminar sólo los agentes colorantes.

El laboratorio de Hartwig también utilizó recientemente catálisis innovadora para crear un proceso que convierte las bolsas de polietileno en adhesivos, otro producto valioso. Juntos, estos nuevos procesos podrían hacer mella en las pilas de plástico en proliferación que terminan en vertederos, ríos y, en última instancia, en los océanos.

«Ambos están lejos de la comercialización», dijo. «Pero es fácil ver cómo este nuevo proceso convertiría la mayor cantidad de desechos plásticos en una enorme materia prima química, con mucho más desarrollo, por supuesto».

Otros coautores del artículo son Jake Shi, Nicodemo Ciccia, Liang Qi, Brandon Bloomer, Steffen Heuvel, Tyler Wills y el profesor de ingeniería química y biomolecular Alexis Bell de UC Berkeley y Ji Yang y el científico investigador Ji Su de Berkeley Lab.